Пример 4.1. Моделирование простого стабилизатора напряжения
Соединение одного или более диодов последовательно с резистором и источником напряжения позволяет реализовать достаточно простой способ получения стабилизированного напряжения, слабо зависящего от флуктуации напряжения источника питания. Пример возможного варианта реализации такой схемы дан на рис. 2, где цепочка из четырех диодов соединена последовательно с резистором R1 номиналом 1 K и источником постоянного напряжения VP номиналом 10 В. В данном примере источник напряжения VF добавлен в схему для имитации возникновения случайных флуктуаций напряжения источника питания. Поскольку падение напряжения на каждом из прямосмещенных диодов остается приблизительно постоянным (на уровне 0,7 В) в широком диапазоне токов, напряжение, снимаемое с выхода (узел 3), должно стабилизироваться на уровне 2,8 В.
Рис. 2. Схема простого стабилизатора напряжения
Для оценки качества работы предлагаемого стабилизатора напряжения воспользуемся программой AIM-Spice. Будем полагать, что флуктуации напряжения носят синусоидальный характер с частотой 50 Гц и амплитудой 1 В. Листинг описания схемы, приведенной на рис. 2, дан на рис. 3. Для анализа стабильности выходного напряжения использован режим анализа переходного процесса в диапазоне от 0 до 100 мс с шагом 0,5 мс.
Simple Voltage Regulator
Vp 1 0 dc 10
Vf 1 2 dc 0 sin(0 1 50)
r1 2 3 1k
d1 3 4 kd522a
d2 4 5 kd522a
d3 5 6 kd522a
d4 6 0 kd522a
.model kd522a d is=880.5E-18 rs=.25 ikf=0 n=1
+ xti=3 eg=1.11 cjo=175p m=0.5516 vj=.75 fc=.5
+ isr=1.859n nr=2 bv=4.7 ibv=20.245m
Рис. 3. Листинг описания схемы простого стабилизатора напряжения. В данном примере использована модель диода KD522A
Последовательность расчета
Откройте программу AIM-SPICE.
Скопируйте листинг описания схемы (рис. 3) и вставьте в окно программы AIM-SPICE.
Проверьте правильность синтаксиса описания схемы. Для этого сделайте расчет параметров рабочей точки, нажав на панели инструментов кнопку OP (Operating Point, Рабочая точка).
Если синтаксис программы содержит ошибки, то появляется диалоговое окно Ошибка, в котором выводится сообщение о том, что схема содержит ошибки (Circuit contain errors) и будет предложена возможность для знакомства с ними. Для этого достаточно нажать на кнопке Да.
Появляется окно, в котором указываются возможные проблемы. Для их устранения следует вернуться в окно AIM-SPICE, внести необходимые исправления и снова запустить расчет рабочей точки.
Если в синтаксисе программы ошибок нет, появляется диалоговое окно со статистикой расчета
Нажмите на кнопке OK для отображения результатов расчета рабочей точки в открывающемся диалоговом окне Dc Operating Point Information (Информация о результате расчета рабочей точки). В этом окне приводятся значения напряжений в каждом узле схемы и значения токов, отдаваемых в схему каждым из подключенных к ней источников напряжения.
Теперь можно приступать к расчету специализированных характеристик моделируемой схемы, определяющих ее функциональное назначение. Здесь придется воспользоваться расчетом переходного режима работы схемы.
Закройте последнее окно и нажмите в панели инструментов на кнопке TR (Transfer). Отображается диалоговое окно Transient Analysis Parameters (). Введите в него значение шага (Stepsize) и конечного времени расчета (Final Time) 1mc и 100 mc, соответственно и нажмите на копке Run (Пуск).
Открывает диалоговое окно Select Variables to Plot (Выбор переменной, отображаемой на графике). Нам надо сравнить входное напряжение (узел 2, V(2)) с выходным напряжением (узел 3, V(3)).
Выберите из списка предлагаемы переменных v(2) (voltage), соответствующее входному напряжению и нажмите на кнопке OK. Отображается «пустой» график зависимости входной переменной (v(2)) от времени.
Нажмите в панели инструментов на кнопке Start Simulation (Начать моделирование). Отображается график зависимости v(2) = f (t).
Однако, в данном случае вследствие устанавливаемого программой по умолчанию низкого диапазона изменения входного напряжения (от 0 до 5 В) вид графика остается без изменения (поскольку входное напряжения представляет собой сумму постоянного напряжения величиной 10 В и переменного синусоидального с амплитудой 1 В). Поэтому надо изменить масштаб отображения по оси Y.
Нажмите правой кнопкой мыши на оси напряжений и выберите из раскрывающего меню пункт Format Y-Axis… (Форматировать ось Y).
Введите в соответствующие поля раскрывающееся окна Y-Axis Format приращение (Increment), а также минимального (Minimum) и максимального (Maximum) значений напряжений, как указано ниже и нажмите на кнопке OK.
Отображается окно с графиком изменения входного напряжения v(2)=f(t).
Нажмите в панели инструментов на кнопке Exit и повторите пункты 5-10 для вывода графика выходного напряжения v(3) = f(t).
Далее результаты моделирования схемы в виде двух графиков приведены на рис. 4 (это вам предлагается сделать самостоятельно).
Итак выходное напряжение приблизительно равно 3 В, что незначительно выше, чем предполагалось ранее (4*0,7=2,8). Видно, что пульсации выходного напряжения на временной диаграмме сильно снижены по сравнению с пульсациями напряжения источника питания. Используя функцию курсора в AIM-постпроцессоре, можно точно оценить значение полного размаха пульсаций на выходе – 32 мВ, что пренебрежимо мало по сравнению с 2 В на источнике питания.
Рис. 4. Переходные характеристики схемы простого стабилизатора напряжения. Верхняя кривая отображает источник напряжения с наложенной на него флуктуацией напряжения. На нижней кривой приведено напряжение на выходе стабилизатора